Период колебаний: природа явления и измерение

Период колебаний: природа явления и измерение
Математический маятник: период, ускорение и формулы

Механическая система, которая состоит из материальной точки (тела), висящей на нерастяжимой невесомой нити (ее масса ничтожно мала по сравнению с весом тела) в однородном поле тяжести, называется математическим маятником (другое название – осциллятор). Бывают и другие виды этого устройства. Вместо нити может быть использован невесомый стержень. Математический маятник может наглядно раскрыть суть многих интересных явлений. При малой амплитуде колебания его движение называется гармоническим.

Изучаем маятник – как найти период колебаний математического маятника

Многообразие колебательных процессов, которые окружают нас, так значительно, что просто удивляешься – а есть что-нибудь, что не колеблется? Вряд ли, ведь даже совершенно неподвижный предмет, скажем камень, который тысячи лет лежит неподвижно, все равно совершает колебательные процессы – он периодически нагревается днем, увеличиваясь, а ночью остывает и уменьшается в размерах.

Одной из важнейших характеристик различного вида колебаний, которые наблюдаются в природе, являются период и частота колебаний. Эти физические явления настолько распространены, что, пожалуй, и нельзя указать области существования, в которой бы не наблюдались данные физические процессы. Наиболее распространенными сферами исследования природы колебательных движений являются механика, электроника, астрономия, локация и другие.

Объединяет все эти отрасли то, что природа колебательных движений в них одинакова, а, следовательно, и теория, которая описывает эти явления, является универсальной. Например, общепринято, что период представляет собой определенный отрезок времени, в течение которого некий объект совершает одно полное колебание и затем снова возвращается в исходное положение. Наиболее показательным примером этого в механике выступает колебание маятника часов.


Колебания по своим свойствам различают свободные (или собственные) и гармонические. Свободные – это такие, которые вызываются внешними силами, приложенными к предмету и выводящими его из состояния равновесия (в механике: струна музыкального инструмента, грузик, подвешенный на нити и т.д.). Более важное место в теории колебательных процессов занимают гармонические колебания. Именно они составляют ту основу, которая позволяет формулировать закономерности данной теории и рассматривать природу колебаний в различных физических средах (воде, воздухе, газе, вакууме и т.п.).

Исходя из утверждения об универсальности теории колебаний, можно сделать вывод и об универсальности физический единиц, которые отражают величины этих колебаний, независимо от их природы и сферы распространения. Таковыми являются период и частота. Как определяется период колебаний, уже было сказано выше. Частота же колебания определяется как количество совершенных полных колебаний предметов за определенную единицу времени. Период и частота в теории колебаний связаны единой, общей для данной теории формулой. Описывающая период свободных колебаний формула имеет вид: f = 1 /T, где f – частота, Т – период (выступает, наряду с частотой, основным параметром данного явления).


Имеются и другие характеристики колебательных процессов, такие как амплитуда, циклическая частота, фаза, но их применение обусловлено уже более сложными условиями описания колебаний. Такими условиями являются:

- собственно природа колебательного процесса, то есть, какие именно колебания мы рассматриваем – механические, электромагнитные, циклические или иные;

- среда, в которой происходят колебательные процессы – воздух, вода или иное. Эти условия самым существенным образом влияют на все параметры процесса, в том числе и на период колебаний. Например, для циклических, формула, по которой определяется период колебаний, включает в себя еще и показатель 2πν, который характеризует величину круговых колебаний.

Частота колебаний характеризуется единицей, которая носит имя великого физика – Генриха Герца и обозначается сокращенно: Гц. Исходя из рассмотренной нами формулы, 1 Гц представляет собой величину, равную одному полному колебанию, которое произошло за одну секунду. Этой единицей характеризуется огромное множество параметров, окружающих нас в повседневной жизни. Например, частота переменного тока, который мы потребляем дома, равна 50 Гц. Это значит, что поток электронов в проводнике 50 раз меняет направление своего движения. Частоты могут характеризоваться как небольшими значениями (например, колебания маятника), так и величинами, доходящими до миллиардов колебаний в секунду. Такими, к примеру, являются частоты, характеризующие вычислительные операции в современных компьютерах. Тогда герцы применять для отражения величин становится неудобно, и к ним добавляют кратные значения: кило- (кГц, 1000), мега- (мГц, 1000000), гига- (гГц, 1000000000) и так далее.

Величиной, которая нам показывает период колебаний, являются самые обычные метрические единицы (разы, если можно так выразиться), то есть числовой показатель количества совершенных колебательных движений за определенный промежуток времени.

Математический маятник: период, ускорение и формулы
Механическая система, которая состоит из материальной точки (тела), висящей на нерастяжимой невесомой нити (ее масса ничтожно мала по сравнению с весом тела) в однородном поле тяжести, называется математическим маятником (другое название – ...
далее
Периодические колебания: определение, основные характеристики
Что такое периодические колебания? Определение, основные свойства, формулы расчёта периода и частоты.
далее
Колебательный контур. Принцип действия
Колебательный контур применяется повсюду в реальной жизни: в телефонах, микроволновках и прочем. Мы не можем представить свою жизнь без него. В этой статье пойдёт речь о строении контура и его элементах, о принципе его работы и применении в реальной ...
далее

Материалы по теме: